机械系统设计4.pptx

第五章 支承(zh chn)系统设计5.1 支承系统的功用和基本(jbn)要求5.2 支承系统(xtng)的静刚度5.5 支承系统的热特性5.6 机械系统（机器）的基础5.3 支承系统结构设计5.4 支承系统的动态特性第一页，共62页。5.1 支承系统的功用(gngyng)和基本要求 支支承承(zh(zh chn)chn)系系统统：机机械械系系统统的的子子系系统统，机机械械系系统统中中用用于于支支承承(zh(zh chn)chn)和安装其他系统的支承和安装其他系统的支承(zh chn)(zh chn)件（称又基础件）所构成的总体。件（称又基础件）所构成的总体。支支承承(zh(zh chn)chn)件件：底底座座、床床身身、立立柱柱、横横梁梁、支支座座、支支架架、箱箱体体、门门架架、桁桁架架、刀刀架架、工工作作台台、升升降降台台和和箱箱体体等等。它它们们一一般般都都比比较较大大，故故也也称为称为“大件大件”。一、支承一、支承(zh chn)(zh chn)系统的功用系统的功用第二页，共62页。支承系统的基本功用：支承和安装机械系统中的其他系统。承受各种静态力和动态力。保证各零部件之间的相对位置精度(jn d)和运动部件的运动精度(jn d)。支承件的内部用作电气箱、液压油、润滑油或冷却液压的储存器等。5.1 支承系统的功用和基本(jbn)要求第三页，共62页。支承系统是机械系统的一个重要组成部分，在整个机械系统的总重量中占有相当大的比例(在机床中约占70%90%)，通常是结构最复杂、制造最费工、造价最昂贵的零部件。一个机械系统的支承件往往(wngwng)不只一个，它们有的相互固定联接，有的在轨道上运动。机械系统工作时，执行件所受的力和力矩都通过支承件作用在基础和地基上。如，机床在切削加工时，刀具和工件间的作用力都要通过支承件逐个传递，故支承件会变形。5.1 支承(zh chn)系统的功用和基本要求第四页，共62页。机械系统所受的动态力（如机床上变化的切削力、机械系统中旋转件的不平衡等）会使支承件和整个机械系统振动。严重的变形和振动会破坏被支承零、部件(bjin)的相互关系。支承件在很大程度上影响着机械系统的安装精度、工作精度、抗振性和可靠性。因此，正确设计支承系统，对减轻重量、节约材料、降低成本、提高系统性能和寿命等至关重要。5.1 支承系统(xtng)的功用和基本要求第五页，共62页。梁类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸大得多的零件。例：床身、立柱、横梁、摇臂、滑枕等。板类：一个方向的尺寸比另外两个方向的尺寸小得多的零件。例：底座、基础板、工作台、刀架等。箱类：三个方向的尺寸大致一样的零件。例：箱体、壳体、机匣、升降台等。框架类：又称机架类。例：支架(zhji)、桥架、桁架等。按结构可分为整体式和装配式。5.1 支承系统(xtng)的功用和基本要求二、支承系统的分类二、支承系统的分类按形状可分为按形状可分为(fn wi)(fn wi)四类：四类：第六页，共62页。三、支承系统的基本要求三、支承系统的基本要求 根据支承件的功用可知，对支承件的基本要求是：根据支承件的功用可知，对支承件的基本要求是：1.1.足够的静刚度足够的静刚度 2.2.较好的动特性较好的动特性 3.3.良好的热特性良好的热特性 4.4.小的内应力小的内应力 5.5.其他其他 在在设设计计(shj)(shj)支支承承件件时时，应应考考虑虑吊吊运运安安全全方方便便，液液压压、电电器器布布置置合合理理以以及及便便于于加加工工和和装装配配等等。而而对对于于机机床床的的支支承承件件，还还要要考考虑虑便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。便于冷却液、润滑液的回收，排屑方便等。5.1 支承系统的功用和基本(jbn)要求 按制造方法又可分为铸造、焊接、铆接(moji)和组合式四类。第七页，共62页。支承件的设计步骤：支承件的设计步骤：首首先先进进行行受受力力分分析析，再再根根据据受受力力和和其其他他要要求求（如如排排屑屑、安安装装其其他他零零件件等等）参参考考同同类类机机械械系系统统设设计计支支承承件件的的形形状状(xngzhun)(xngzhun)和和尺尺寸寸，然然后后，在在计计算算机机上上用用有有限限元元法法进进行行验验算算，求求出出它它的的静静、动动态态特特性性。经经多多次次修修改改，并并从从几几个个方方案案中中选选出出最最好好的的方方案案。这这样样，可可在在设设计计阶阶段段预预测测支支承承件件的的性性能能，从从而而避免盲目性。避免盲目性。5.1 支承系统的功用(gngyng)和基本要求第八页，共62页。5.2 支承系统(xtng)的静刚度支承件的静刚度支承件的静刚度 支支承承件件在在静静载载荷荷(zi(zi h)h)作作用用下下抵抵抗抗变变形形的的能力。能力。1.1.自身自身(zshn)(zshn)刚刚度度2.2.局部局部刚刚度度3.3.接触接触刚刚度度第九页，共62页。图 5-1 截面畸变FF（b）（c）（a）Fc1Fc2图 5-2 局部变形 2.2.局局 部部 刚刚 度度：局局 部部 变变 形形(bin(bin xng)xng)发发生生在在载载荷荷集集中中之之处。处。5.2 支承(zh chn)系统的静刚度 1.1.自自身身刚刚度度：支支承承(zh(zh chn)chn)件件抵抗自身抵抗自身变变形的能力。形的能力。支支承承(zh(zh chn)chn)件件所所受受的的载载荷荷主主要要是是拉拉压压和和弯弯扭扭，其其中中弯弯扭扭是是主主要要的的。因因此此，支支承承(zh(zh chn)chn)件件的的自自身身刚刚度度，主要考主要考虑虑的是弯曲的是弯曲刚刚度和扭度和扭转刚转刚度。度。第十页，共62页。3.3.接接触触刚刚度度：两两个个平平面面接接触触时时，不不可可能能(knng)(knng)是是理理想想的的平平，因因而而实实际际接接触触面面积积只只是是名名义义接接触触面面积积的的一一部部分分。再再加加上微观的不平，两平面真正接触的只是一些高点。上微观的不平，两平面真正接触的只是一些高点。5.2 支承(zh chn)系统的静刚度 影响接触刚度的因素有：接触表面的粗糙度、接触表面的实际接触点及其均匀分布程度、构件材料的弹性(tnxng)和塑性、载荷(相对运动接触面)或预加载荷(固定接触面)的大小及其分布。对对于于螺螺栓栓固固定定联联接接的的接接触触面面，通通过过确确定定紧紧固固螺螺栓栓的的数数量量及及其其分分布布，规规定拧紧螺栓的扭矩来提高接触刚度。定拧紧螺栓的扭矩来提高接触刚度。对对于于重重要要表表面面可可通通过过合合理理确确定定其其表表面面硬硬度度，增增加加单单位位面面积积内内的的接接触触点点数数等等措措施施来来进进一一步步提提高高接接触触刚刚度度。例例：对对于于机机床床固固定定接接触触面面，高高精精度度机机床床要要求每求每25mm25mm25mm25mm接触点达接触点达1212点，精密机床点，精密机床8 8点，普通机床点，普通机床6 6点。点。第十一页，共62页。5.3 支承(zh chn)系统结构设计 选择支承件截面形状的原则：具备较高的刚度(n d)和强度；便于安装其他零部件。支承件承受的载荷主要是弯矩和扭矩，其变形主要是弯曲和扭转。抗弯、抗扭刚度(n d)与截面面积和截面形状(惯性矩)有密切关系。常见截面形状的抗弯、抗扭惯性矩如表5-1一、截面一、截面(jimin)(jimin)形状选择形状选择第十二页，共62页。序 号1234截面形状抗弯惯性矩cm480024164027%100302503抗扭惯性矩cm4160048328054108%1003025037表表5.1 5.1 截面截面(jimin)(jimin)形状和惯性矩的关系形状和惯性矩的关系5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题第十三页，共62页。序 号5678截面形状抗弯惯性矩cm4833246041706930%104308521866抗扭惯性矩cm41460415170375590%882594403505.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第十四页，共62页。5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题由惯性矩的相对值可以看出：1.空心截面(jimin)惯性矩比实心的大，因此，加大轮廓尺寸、减小壁厚，可有效提高截面(jimin)刚度。2.方形截面(jimin)抗弯能力大，圆形截面(jimin)抗扭能力强，矩形截面(jimin)抗弯能力更好。3.封 闭 截 面(jimin)比 非 封 闭 截 面(jimin)的刚度大的多。第十五页，共62页。二、合理设置肋板和肋条二、合理设置肋板和肋条 一般说来，提高支承件的强度和刚度有两种方法：一般说来，提高支承件的强度和刚度有两种方法：增加壁厚；设置肋板和肋条。增加壁厚；设置肋板和肋条。通通常常设设置置肋肋板板和和肋肋条条的的方方法法更更为为(n(n wi)wi)有有效效，既可保证质量，又可减轻重量。既可保证质量，又可减轻重量。1.1.隔板隔板(肋板肋板)在在两两壁壁之之间间起起连连接接(linji)(linji)作作用用的的内内壁壁称称为为隔隔板板(或或肋肋板板)。隔隔板板的的功功用用在在于于将将支支承承件件外外壁壁的的局局部部载载荷荷传传递递给给其其他他壁壁板板，由由整整个个支支承承件件各壁板共同均匀地承受载荷，从而提高支承件的自身刚度。各壁板共同均匀地承受载荷，从而提高支承件的自身刚度。5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题第十六页，共62页。(a)纵向隔板AA(b)横向隔板图5-4 隔板的布置形式(c)斜向隔板 图5-4a为纵向隔板(bn)，其隔板(bn)布置在弯曲平面内，能够有效地提高支承件的抗弯刚度。图b为横向隔板(bn)，主要用于提高空心支承件的抗扭刚度。图c为斜向隔板(bn)，兼有提高抗弯和抗扭刚度的效果。5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题隔板有纵向隔板、横向隔板和斜向隔板三种基本(jbn)形式。第十七页，共62页。2.2.肋条肋条 肋肋条条又又称称为为加加强强筋筋，它它与与隔隔板板的的区区别别(qbi)(qbi)在在于于筋筋条条不不是是连连接接两两壁壁而而是是布布置置在在某某壁壁上上，高高度度一一般般较较小小。主主要要是是为为了了减减少少局局部部变变形形和和抑抑制制薄薄壁壁振振动动，这这对对于于需需在在内内部部安安装装其其他他机机构构而而妨妨碍碍设设置置隔隔板板的的支支承承件件来来说说，是是一一种种行行之之有有效的方法。效的方法。(e)米字形筋(a)直筋(f)井字形筋(b)三角形筋(c)交叉筋(d)蜂蜜形筋图5-5 筋条的布置形式 例：图例：图5-55-5是壁板上的几种肋条是壁板上的几种肋条(li tio)(li tio)布置形式。布置形式。5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题第十八页，共62页。设设计计支支承承件件的的结结构构必必须须重重视视它它的的工工艺艺性性，包包括括铸铸造造、焊焊接接以以及及机机械械加加工工的工艺性。的工艺性。例例如如，铸铸件件的的壁壁厚厚应应尽尽量量均均匀匀或或截截面面变变化化平平缓缓，要要有有出出砂砂孔孔使使于于水水爆爆清清砂或机械化清砂（风轮能进入砂或机械化清砂（风轮能进入(jnr)(jnr)铸件内），要有起吊孔等。铸件内），要有起吊孔等。结结构构工工艺艺性性不不单单是是个个理理论论问问题题，因因此此，除除要要学学习习现现有有理理论论（参参阅阅手手册册等等文献）外，还要注意在实践中学习，注重积累经验。文献）外，还要注意在实践中学习，注重积累经验。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第十九页，共62页。三、材料的选择和时效处理三、材料的选择和时效处理 1.1.铸铸铁铁 5.5.天天然岩石然岩石(ynsh)(ynsh)及陶瓷及陶瓷 2.2.钢钢 6.6.时效处理时效处理 3.3.轻轻合合金金 7.7.焊接支承件焊接支承件 4.4.混凝土混凝土 5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题第二十页，共62页。1.铸铁 铸铁的铸造性能好，易于铸造结构复杂的支承(zh chn)件，并具有良好的减振性和耐磨性，价格便宜，应用最广。但铸件需作木模，制造周期较长。支承(zh chn)件常用的铸铁材料有灰铸铁(HT100、HT150、HT200、HT250、HT300)、球墨铸铁(QT450-10、QT800-02)及耐磨铸铁等。5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题第二十一页，共62页。2.2.钢钢 铸铸钢钢的的弹弹性性模模量量(tn(tn xn xn m m lin)lin)较较大大，强强度度大大于于铸铸铁铁，且且抗抗拉拉和和抗抗压压强强度度接接近近相相等等。有有些些特特种种钢钢还还有有耐耐热热、耐耐蚀蚀等等特特殊殊功功能能。但但铸铸造造性性能能和和抗抗振振性性不不如如铸铸铁铁。一一般般只只有有需需要要支支承承件件的的强强度度高高、刚刚度度大大且且形形状状又又不不复复杂杂时时，才才考考虑虑采采用用铸铸钢钢。支支承承件件常常用用的铸钢材料有的铸钢材料有ZG200-400ZG200-400、ZG230-450 ZG270-500ZG230-450 ZG270-500等。等。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第二十二页，共62页。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题3.3.轻合金轻合金 轻轻合合金金应应用用于于支支承承件件较较多多的的是是铝铝合合金金。它它的的密密度度只只有有铁铁的的1/31/3，且且有有些些铝铝合合金金还还可可以以通通过过热热处处理理进进行行强强化化，使使其其具具有有足足够够高高的的强强度度，并并有有较较好好的的塑塑性性、良良好好的的低低温温韧韧性性和和耐耐热热性性。目目前前，日日本本轿轿车车的的发发动动机机缸缸体体已已全全部部采采用用(ciyng)(ciyng)高高强强度度铝铝合合金金，部部分分变变速速箱箱也也开开始始采采用用(ciyng)(ciyng)铝铝合合金金。所所以以，对对于于减减轻轻支支承承件件重重量量具具有有重重大大意意义义的的运运行行式式机机械械如如飞飞机机、汽汽车车、拖拖拉机、起重机等来说，应考虑采用拉机、起重机等来说，应考虑采用(ciyng)(ciyng)轻合金。轻合金。支支 承承 件件 常常 用用 的的 铸铸 铝铝 合合 金金 材材 料料 有有 ZAlSi7MgZAlSi7Mg、ZAlSi9MgZAlSi9Mg、ZA1Si12Cu2Mg1ZA1Si12Cu2Mg1、ZalZn11Si7ZalZn11Si7。第二十三页，共62页。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题4.4.混凝土混凝土 这这类类支支承承件件主主要要应应用用于于机机床床中中的的床床身身、立立柱柱、底底座座(dzu)(dzu)等等。混混凝凝土土的的比比重重是是钢钢的的1/81/8，弹弹性性模模量量是是钢钢的的1/101/101/161/16，阻阻尼尼高高于于铸铸铁铁、且且成成本本低低廉廉，适适用用于于制制造造受载面积大、抗振性要求高的支承件。受载面积大、抗振性要求高的支承件。目目前前，在在高高速速切切削削机机床床，持持别别是是超超高高速速切切削削机机床床的的床床身身制制造造中中，由由于于主主轴轴直直径径的的圆圆周周速速度度已已达达到到或或超超过过125m/s125m/s，为为了了获获得得良良好好的的动动态态性性能能，床床身身完完全全由由聚聚合合水水泥混凝土材料制成。泥混凝土材料制成。第二十四页，共62页。5.5.天然岩石及陶瓷天然岩石及陶瓷 这这一一类类材材料料膨膨胀胀系系数数小小，热热稳稳定定性性好好，又又经经长长期期自自然然时时效效，残残余余应应力力(yngl)(yngl)小小，性性能能稳稳定定、精精度度保保特特性性好好，阻阻尼尼系系数数比比钢钢大大1616倍倍，耐耐磨磨性性比比铸铸铁铁高高6 61010倍倍。目目前前在在三三坐坐标标测测量量机机工工作作台台、金金刚刚石石车车床床床床身身的的制制造造中中，已已将将花花岗岗岩岩、大大理理石作为其标准材料，国外还出现了采用陶瓷制造的支承件。石作为其标准材料，国外还出现了采用陶瓷制造的支承件。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题第二十五页，共62页。5.3 支承系统结构设计中的几个(j)问题6.6.时效处理时效处理 支支承承件件在在铸铸造造或或焊焊接接过过程程中中所所产产生生的的残残余余应应力力，必必须须予予以以消消除除(xioch)(xioch)，以以免免在在使使用用过过程程中中因因残残余余应应力力重重新新分分布布或或逐逐渐渐消消失失而而产产生生变变形形。普普通通粘粘度度的的支支承承件件，安安排排一一次次时时效效处处理理即即可可。精精密密支支承承件件则则常常在在粗粗加加工工前前后后各各安安排排一一次次时时效效处处理理。至至于于高高精精度度支支承承件件，除除进进行行两两次次时时效效处处理理外外，还还应应将将支支承承件件坯坯件件放放在在露露天一年左右，以进行自然时效处理。天一年左右，以进行自然时效处理。第二十六页，共62页。5.3 支承(zh chn)系统结构设计中的几个问题7.7.焊接支承件焊接支承件 据据统统计计，全全世世界界约约有有45%45%的的钢钢材材采采用用焊焊接接方方法法来来成成形形，其其中中大大部部分分用用作作支支承承件件。焊焊接接支支承承件件一一般般由由钢钢板板和和钢钢管管等等型型钢钢焊焊接接而而成成。由由于于焊焊接接结结构构壁壁厚厚薄薄、重重量量轻轻、固固有有频频率率高高，并并能能通通过过有有效效措措施施(cush)(cush)提提高高抗抗振振性性，且且能能大大大大缩缩短短生生产产周周期期，因因而而在在改改型型和和单单件件小小批批生生产产中中，特特别别是是大大型型、重重型型机机械械中中应应用用得得较较为为普普遍遍。支支承承件件常常用用的的焊焊接接材材料料有有Q235Q235、2020和和2525号碳钢、号碳钢、15Mn15Mn、16Mn16Mn、20Mn20Mn、16MnTi16MnTi、15MnSi15MnSi等。等。第二十七页，共62页。5.3 支承系统结构设计(shj)中的几个问题四、其它四、其它 在支承件上开孔时，应注意在支承件上开孔时，应注意(zh y)合理开孔并加合理开孔并加盖；盖；注意注意(zh y)提高支承件的局部刚度和接触刚度；提高支承件的局部刚度和接触刚度；重视支承件的结构工艺性等。重视支承件的结构工艺性等。第二十八页，共62页。5.4 支承(zh chn)系统的动态特性 支承系统除要满足(mnz)静刚度外，还要满足(mnz)动态特性的要求。动态特性：n固有频率固有频率:不与激振频率重合；不与激振频率重合；n具有具有(jyu)较高的动刚度较高的动刚度:（共振状态下，激振力的幅值与振（共振状态下，激振力的幅值与振幅之比）幅之比）n较大的阻尼较大的阻尼:使支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用使支承件在受到一定幅值的周期性激振力的作用下受迫振动的幅值较小。下受迫振动的幅值较小。第二十九页，共62页。5.4 支承(zh chn)系统的动态特性一、固有频率一、固有频率(yu pn l)(yu pn l)和振型和振型 单自由度振动系统只有一个固有频率和一个振型，其力学模型如图a所示。它的集中质量（将系统质量简化为集中质量）m装在无质量的弹性杆上，刚度为K，振动的两个极限位置在图中用(zhngyng)双点划线表示。第三十页，共62页。二自由度振动系统的力学模型如图b和c所示。它的两个集中质量ml和m2装在两根无质量的弹性杆上，刚度分别为Kl和K2。它有两个振型：图b：第一个振型是ml和m2同时向上或向下；图c：第二个振型是ml和m2的相位差180。这两个振型各有自己(zj)的固有频率。5.4 支承(zh chn)系统的动态特性第三十一页，共62页。振型和固有频率合称为模态。一般把各模态按固有频率从小到大排列(pili)，其序号称为“阶”。图5-6b的固有频率比图c的低，因此，称图b为第一阶振型，其固有频率为第一阶固有频率，合称第一阶模态。图c为第二阶振型，其固有频率为第二阶固有频率，合称第二阶模态。5.4 支承(zh chn)系统的动态特性第三十二页，共62页。5.4 支承系统(xtng)的动态特性 支承件是一个连续体，质量(zhling)和弹性都连续分布，有无穷多个自由度，也就有无穷多阶模态。在大多数机械系统上激振力的频率一般都不太高，只有最低几阶模态的固有频率才可能与激振力频率重合或接近。高阶模态的固有频率远高于可能出现的激振力频率，一般不可能发生共振，对系统的工作质量(zhling)影响不大。因此，只需研究最低几阶模态即可。现以某车床床身的水平方向的振动(zhndng)为例说明它的最低几阶模态。第三十三页，共62页。（a）（b）（c）（d）xyOz图5-7 车床床身的振型5.4 支承系统的动态(dngti)特性1.1.第第一一阶阶模模态态整整机机摇摇晃晃振动振动 床床身身作作为为一一个个刚刚体体在在弹弹性性基基础础上上作作摇摇晃晃振振动动，其其振振型型如如图图5-7a5-7a所所示示。主主振振系系统统是是床床身身和和底底部部的的连连结结面面。振振动动的的特特点点是是床床身身各各点点的的振振动动方方向向一一致致，同同一一水水平平线线上上各各点点的的振振幅幅(zhnf)(zhnf)相相差差不不大大，离离 结结 合合 面面 越越 远远 的的 点点 振振 幅幅(zhnf)(zhnf)越越大大。整整机机摇摇晃晃的的固固有有频频率率取取决决于于床床身身的的质质量量、固固定定螺螺钉钉和和接接触触面面处处的的刚刚度度。其其值值较较低低，大大约约在在151530Hz30Hz范围内，常见的是范围内，常见的是202025Hz25Hz。2.2.第第二二阶阶模模态态一一次次弯弯曲曲振动振动 振振动动的的特特点点是是各各点点的的振振动动方方向向一一致致，上上下下振振幅幅相相差差(xin(xin ch)ch)不不大大，但但沿沿床床身身纵纵向向（其其振振型型如如图图5-7b5-7b）越越接接近近中中部部的的振振幅幅越越大大，越越接接近近两两端端的的振振幅幅越越小小。其其固固有有频频率率约约为为l10 l10 HzHz左左右右，一一般般在在8080140Hz140Hz范围内。范围内。3.3.第三阶模态第三阶模态一次扭转振动次扭转振动 主振系统仍是床身本体，振型如图c所示。振动的特点是床身两端的振动方向相反，振幅值分布呈两端大中间小。而且，在靠近中部有一条线AB，在这条线上及附近，振幅等于零或接近于零。在这条线的两侧，振动方向相反，称该线为节线。A、B点称为上、下节点。频率范围约在30l20Hz，常见的是4070Hz。4.4.第四阶模态第四阶模态二次扭转振动二次扭转振动 主振型仍是床身本体，其振型如图5-7d所示。振动的特点是有两条节线AB和CD，在两条节线上，振幅为零。两端的振动方向相同，但与两节点线间的振动方向相反。此外，还有二次扭转、三次弯曲、纵向振动等。这些模态的固有频率一般都较高，已远离可能出现的激振频率，因此，一般不予考虑。第三十四页，共62页。5.5.薄壁振动薄壁振动 对对于于某某些些面面积积较较大大而而又又较较薄薄的的壁壁板板，以以及及罩罩、盖盖等等容容易发生所谓的薄壁振动。易发生所谓的薄壁振动。这类振动的主振系统是薄壁。这类振动的主振系统是薄壁。振振动动的的固固有有频频率率较较高高，振振动动的的幅幅值值不不大大，属属于于局局部部振振动。动。薄薄壁壁振振动动对对系系统统的的工工作作质质量量如如机机床床(jchung)(jchung)的的加加工工精精度度影影响响不不大大，却却是是噪噪声声源源或或噪噪声声的的传传播播媒媒介介，必必须须足足够够重视。重视。5.4 支承系统(xtng)的动态特性第三十五页，共62页。二、提高动刚度的措施二、提高动刚度的措施 改改善善支支承承件件的的动动态态(dngti)(dngti)特特性性，提提高高抗抗振振性性的的关关键键是是提高动刚度。提高动刚度。动动刚刚度度是是共共振振状状态态下下激激振振力力幅幅值值与与振振幅幅之之比比，可可按按下下式式计算计算 动刚度；动刚度；K d K d2K 2K 式中：式中：阻尼比；阻尼比；K K 静刚度。静刚度。5.4 支承系统(xtng)的动态特性由 式 看 出，提 高(t go)静刚度K和阻尼比可以提高(t go)动刚度。换言之，在相同幅值激振力的作用下可以降低受迫振动的幅值。第三十六页，共62页。提高静刚度的途径是合理设计(shj)支承件的截面形状和尺寸，合理布置隔板和筋条，注意整体刚度、局部刚度和接触刚度的匹配等。提高阻尼可以采取保留砂芯（常称对砂结构）、在构件中灌注混凝土、采用具有(jyu)阻尼性能的焊接结构或安装阻尼装置等办法。5.4 支承系统(xtng)的动态特性第三十七页，共62页。（a）卧式车床的床身（b）数控车床的床身21图5-8 提高阻尼的办法 图a是一种100mm卧式车床的床身，型砂不清除，依靠型砂与铸件壁和型砂与型砂之间的摩擦来消耗振动能量，提高阻尼。有资料介绍，结构相同、尺寸相同的两种车床床身，封砂结构的三阶模态（一次弯曲、一次扭转、二次弯曲）比不封砂的阻尼分别(fnbi)提高约40%、78%、214%，效果十分显著。5.4 支承(zh chn)系统的动态特性第三十八页，共62页。（a）卧式车床的床身（b）数控车床的床身21图5-8 提高阻尼的办法5.4 支承系统(xtng)的动态特性 图b是一种48Omm数控车床的床身，为封砂结构，用粘接剂将床身2粘合(zhn h)在钢筋混凝土底座1上。床身上的导轨面与水平倾70，以便排屑。由于底座内混凝土的内摩擦阻尼很高，再配以封砂床身，使机床具有很高的抗振性。第三十九页，共62页。图c是预加载荷的减振头焊接结构，中间接触处D不焊接。冷却后，焊缝收缩，使D处压紧，从而(cng r)形成了预加载荷。振动时通过相互移动的摩擦力来消耗能量。5.4 支承系统的动态(dngti)特性第四十页，共62页。图d为升降台式铣床的悬梁和受力情况，图e是悬梁头部安装阻尼装置的结构图。悬梁在水平面和竖直面内的弯曲和扭转振动的最大振幅均在悬梁的头部，因此(ync)，将阻尼装置放在该处。悬梁头部是一个封闭的箱形铸件，空腔内装几块铸铁并充满钢珠，再灌注高粘度油。振动时，油在钢珠间隙之间运动，产生粘性摩擦，再加上钢珠间的碰撞，可在较宽的频率范围内消耗振动能量。5.4 支承系统(xtng)的动态特性 据据资资料料介介绍绍，竖竖直直平平面面一一次次弯弯曲曲振振动动的的固固有有频频率率(pnl)(pnl)，不不装装阻阻尼尼装装置置时时为为17OHz17OHz，安安装装阻阻尼尼装装置置后后降降为为150Hz150Hz。由由于于阻阻尼尼装装置置使使其其阻阻尼尼提提高高，在在此此频频率率(pnl)(pnl)下下的的动动刚刚度度为为不不安安装装阻尼装置时的阻尼装置时的3 3倍。倍。还还有有资资料料介介绍绍，为为了了提提高高升升降降台台式式铣铣床床的的动动刚刚度度，采采用用钢钢材材焊焊接接结结构构（钢钢的的弹弹性性模模量量比比铸铸铁铁高高）,加加大大截截面面积积，把把悬悬梁梁做做成成全全封封闭闭的的框框形形结结构构以以提提高高静静刚刚度度。同同时时在在空空腔腔内内灌灌注注混混凝凝土土或或型型砂砂，或或装装前前述述阻阻尼尼装装置置以以提提高高阻尼。阻尼。第四十一页，共62页。5.5 支承(zh chn)系统的热特性 一、支承一、支承(zh chn)(zh chn)系统的热变形系统的热变形n机械系统（如机床工作时）热变形的产生机械系统（如机床工作时）热变形的产生(chnshng)(chnshng)n 电动机输入的能量电动机输入的能量n 环境温度的变化和阳光的照射环境温度的变化和阳光的照射n 内部和外部的热源，使机床的温度呈复杂周期性内部和外部的热源，使机床的温度呈复杂周期性变化。变化。n 机床的热变形也不是一个定值。机床的热变形也不是一个定值。第四十二页，共62页。5.5 支承(zh chn)系统的热特性n机床热变形的危害机床热变形的危害n 改变了各执行器官的相对位置和移动部件的位移轨迹改变了各执行器官的相对位置和移动部件的位移轨迹(guj)(guj)，会降低机床的加工精度。由于机床温度变化的复杂周，会降低机床的加工精度。由于机床温度变化的复杂周期性，还会使机床加工精度不稳定。期性，还会使机床加工精度不稳定。n 例如，例如，n 车床主轴部件前后轴承的温升不同，引起主轴中心线位车床主轴部件前后轴承的温升不同，引起主轴中心线位置的偏移。置的偏移。n 主轴箱的热膨胀使主轴中心线高于尾座中心线。主轴箱的热膨胀使主轴中心线高于尾座中心线。n 数控机床主轴的轴向膨胀，改变机床的坐标原点。数控机床主轴的轴向膨胀，改变机床的坐标原点。n 龙门铣床和龙门刨床工作台的高速运动，会使导轨面的龙门铣床和龙门刨床工作台的高速运动，会使导轨面的温度高于床身温度，引起导轨中凸等。温度高于床身温度，引起导轨中凸等。第四十三页，共62页。热变形对自动机床、自动线、数控机床、精密和高精度机床以及精密机械系统的影响尤为明显。热变形已成为进一步提高机床精度的主要限制条件。一般情况下，支承件的结构比较复杂，质量不均，各处的受热情况不同，因此，支承件的热变形往往是不均匀(jnyn)的。这种不均匀(jnyn)的热变形比均匀(jnyn)的热变形的影响要有害得多。问题：如何降低支承件热变形产生的危害。5.5 支承(zh chn)系统的热特性第四十四页，共62页。1.1.散热和隔热散热和隔热 适当适当(shdng)(shdng)加大散热面积，增设与气流方向一致的散热片；加大散热面积，增设与气流方向一致的散热片；采用风扇、或人工致冷等都可加快散热。采用风扇、或人工致冷等都可加快散热。将将电电动动机机、液液压压油油箱箱、变变速速箱箱等等热热源源移移到到与与机机械械系系统统隔隔离离的的地基上，是常用的隔热办法。地基上，是常用的隔热办法。5.5 支承系统(xtng)的热特性二、提高支承系统热特性的措施二、提高支承系统热特性的措施 提提高高支支承承系系统统热热特特性性就就是是(jish)(jish)设设法法减减少少热热变变形形，特特别别是是不均匀的热变形，以及降低热变形对加工精度的影响。不均匀的热变形，以及降低热变形对加工精度的影响。第四十五页，共62页。2.2.均热均热 影影响响机机械械系系统统工工作作质质量量的的不不仅仅仅仅是是温温升升，更更重重要要的的是是温温度度不不均均。因因此此，使使支支承承(zh(zh chn)chn)件件的的热热变变形均匀也是提高系统工作质量的一种措施。形均匀也是提高系统工作质量的一种措施。可可以以用用改改变变传传热热路路线线来来使使支支承承(zh(zh chn)chn)件件的的热变形均匀。热变形均匀。例例：图图5-105-10是是在在车车床床床床身身B B处处开开一一个个浅浅缺缺口口(quku)(quku)，装装主主轴轴箱箱的的A A处处是是主主要要热热源源，C C处处是是导导轨轨。这这样样可可使使从从A A处处传传来来的的热热量量分分散散传传至至床床身身各各处处（如如箭箭头头所所示示），减减小小了了床床身身的的温温度不均。度不均。图5-10 车床床身的均热A B C5.5 支承(zh chn)系统的热特性第四十六页，共62页。图5-11 立式矩台平面磨床立柱的均热（a）（b）例：图例：图5-11a5-11a是一台立式矩台平是一台立式矩台平面磨床，由于砂轮电动机的热面磨床，由于砂轮电动机的热量经砂轮架接合面使立柱前壁量经砂轮架接合面使立柱前壁的温度高于后壁，造成的温度高于后壁，造成(zo(zo chn)chn)立柱后倾，使磨出的工立柱后倾，使磨出的工件表面与安装基面不平行。图件表面与安装基面不平行。图b b是在磨头侧面装一条管子，将是在磨头侧面装一条管子，将从电动机出来的热风引向后壁，从电动机出来的热风引向后壁，提高了后壁的温度，使前后壁提高了后壁的温度，使前后壁的温差缩小，这样，加工面的的温差缩小，这样，加工面的平行度大为提高。平行度大为提高。5.5 支承系统(xtng)的热特性第四十七页，共62页。3.3.使热变形对工作质量使热变形对工作质量(zhling)(zhling)的影响较小的影响较小 同同样样的的温温升升，由由于于结结构构不不同同，热热变变形形对对工工作作质质量量(zhling)(zhling)的的影影响响也也不不同同。采采用用通通常常所所说说的的“热热对对称称”结结构构，可可使使热热变变形形后后对对称称中中心心线线的的位位置置不不变变，从从而而减减小小对工作质量对工作质量(zhling)(zhling)的影响。的影响。5.5 支承(zh chn)系统的热特性 例例：车车床床采采用用对对称称(duchn)(duchn)的的双双三三角角形形导导轨轨，可可减减小小溜溜板板在在水水平平面面内内的位移和倾斜。的位移和倾斜。第四十八页，共62页。图5-12 卧式铣床床身的“热对称”结构（a）（b）AAA-A 例：卧式升降台式铣床的例：卧式升降台式铣床的床身，如采用图床身，如采用图5-12a5-12a所示的所示的结构，由于后支承内装的轴承结构，由于后支承内装的轴承多，后支承的温度高于前支承，多，后支承的温度高于前支承，使主轴端部向下倾斜。如改为使主轴端部向下倾斜。如改为图图b b所示结构，将后支座在横所示结构，将后支座在横向与两侧壁相连向与两侧壁相连(xin lin)(xin lin)，则把由上下热膨胀变为水平，则把由上下热膨胀变为水平热膨胀，床身在水平方同是对热膨胀，床身在水平方同是对称的，因此，可保持温升前后、称的，因此，可保持温升前后、支承处中心的位置不变。支承处中心的位置不变。5.5 支承(zh chn)系统的热特性第四十九页，共62页。5.6 机械系统（机器(j q)）的基础 机械系统的工作质量和它们的工作寿命(shumng)，在很大程度上，取决于是否正确地安装在它们的基础上。基础的作用：均匀地把作用在其上的机器和加工工件重量，以及加工运转对产生的载荷，传给承载它的地基。作为固定式动力性机械的机器应有一个合适的基础，以保证机器的正常工作和不干扰相邻机器、仪表及人员的工作。机器基础设计是一个很复杂的工程问题，涉及工程地质学、土力学、建筑施工、机械动力学等多门学科。搞好机器基础设计，需要机械工程师与土建工程师的良好合作。第五十页，共62页。图 5-13 机械的基础与地基地基机械基础一、机器基础的概念一、机器基础的概念 1.1.地基：受机械载荷影响的那一部分地层。图地基：受机械载荷影响的那一部分地层。图5-135-13所示。所示。2.2.基础：机械向地基传递载荷的中间结构体。基础：机械向地基传递载荷的中间结构体。3.3.基组：基础、基础上的机械和附属设备以及基组：基础、基础上的机械和附属设备以及(yj)(yj)基础上填土的总称。基组是由机械基础上填土的总称。基组是由机械-基础基础-地地基系统构成的一个振动综合体。基系统构成的一个振动综合体。4.扰力：由于制造、安装、磨损、动失衡以及工艺特性等原因，引起机械运动(jxiyndng)零部件瞬时速度变化而产生的附加动力载荷。5.6 机械系统（机器(j q)）的基础机械工程师应重视机器基础的设计，掌握机器基础设计的基本知识和原则。机械工程师应重视机器基础的设计，掌握机器基础设计的基本知识和原则。第五十一页，共62页。机器基础的结构型式主要有三种：1.块式：常用钢筋混凝土做成整体。应用最广，其特点是基础刚度大，动力计算时可视基础本身为一刚性体，即不考虑其变形(bin xng)。2.墙式：由顶板、纵墙、横墙和底板构成的基础。它的刚度介于大块式基础和框架式基础二者之间，应保证底板、纵横墙和顶板各构件的刚度及构造连接的整体刚度，如其构造符合规范要求，则其动力学计算可视同大块式基础。当机械要求安装在一定高度时常采用墙式基础。3.框架式：由顶层梁板、柱和底板构成的基础。它的上部属弹性的框架结构，因此常用于工作转速较高的机械，动力计算时一般按多自由度空间力学模型计算。5.6 机